基于BIM的混凝土框架梁增大截面法加固設計研究

杜德潤，江生煌

(中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100)

0 前 言

近年來，國內外因為建筑物使用年限超齡、規范不斷修訂、自然災害侵蝕、使用功能改變等因素，導致市場對于建筑結構進行評估鑒定和加固的需求不斷增加[1]。BIM技術亦是未來工程建設發展的主要方向，許多國家已經將BIM寫入自己國家建筑業發展規劃及相關政策之中，強力促進其在實際工程中的應用。本文嘗試將BIM技術應用于混凝土結構加固設計中[2]。

1 Revit二次開發加固設計程序的實現

在Revit中進行混凝土框架結構加固設計的主要思路為：①在Revit中建立原結構模型并添加項目參數；②結構分析計算，輸出計算書；③改變荷載重新進行結構分析計算，輸出新的計算書；④通過計算書獲取相應內力；⑤進行承載力校核，得到校核結果；⑥加固建模，重新進行結構分析計算，得到新的計算書；⑦進而循環4～6步驟，至所有構件滿足設計要求； ⑧進行配筋計算、選筋；⑨生成三維鋼筋。

其中需要用到編程進行二次開發的步驟分別有：項目參數設置、計算書處理、構件承載力校核、截面推薦、加固建模、配筋計算、選筋和鋼筋三維出圖。

1.1 界面開發

在Revit中進行加固程序開發之前，首先得為加固程序各功能提供一個人機交互界面作為載體。Revit允許用戶通過API中的外部應用接口(IExternalApplication)來訂制自己的UI界面，外部應用接口提供了OnStartup( )和 OnShutdown ( ) 兩個方法，分別是啟動和關閉方法中的功能[3]。本文在OnStartup( )方法中創建所需交互界面，在菜單欄中創建了名為“加固”的選項卡頁，在此選項卡頁下設置了六個面板分別為：項目參數、內力導入、承載力校核、梁加固、柱加固、配筋計算及三維鋼筋；在相應的面板中放置了對應的命令按鈕，最后將相應的功能綁定到該命令按鈕上，點擊命令按鈕實現所需功能。

加固模塊界面見圖1。

圖1 加固模塊界面

1.2 添加項目參數

Revit除了有內建參數外，也允許用戶自定義參數，自定義的參數有元素參數和族參數，在項目文件下定義的為元素參數。元素參數包含了共享參數和項目參數的概念。用戶定義的共享參數儲存于共享參數文件(.txt)中，把它綁定到相應的類別之后，會在文檔中的構件上生成相應的項目參數。本文對在加固設計中混凝土框架梁構件所用的參數進行以下歸類，其中部分參數只存在與程序中，部分參數要先設置成共享參數后，需要開發相應功能，實現一鍵從共享參數到項目參數的功能，綁定成為構件的項目參數，見表1和圖2。

圖2 添加的項目參數

表1 項目參數信息

1.3 計算結果處理

對于模型分析而言，目前支持與Revit實現數據傳遞的第三方結構計算與分析軟件主要包括Etabs、SAP2000、Midas、PKPM、Robot等。Robot較其他第三方結構計算與分析軟件的優勢在于，與Revit的交互中雙方之間的數據流通的便捷性與完整性[4]。Revit同Robot可以實現模型上的完美雙向傳輸，出錯率僅不到 4%[5]。但是Robot的計算結果無法傳輸到Revit中，且Robot不包含加固模塊，無法實現加固設計，故需進行二次開發，實現將Robot在的計算結果向Revit的傳輸，以使用在Revit中開發的加固模塊進行相應的加固設計、配筋計算。Revit向Robot傳輸的模型分為原結構模型和加固后結構模型，故由Robot獲得的計算結果也分為原結構計算結果和加固后結構計算結果。分別對結果文件進行處理獲得加固設計所需的信息，對梁構件相應項目參數進行賦值。

1.4 承載力校核

由于使用的設計標準不同，需將梁構件鑒定分為原梁與加固梁承載力校核[6]。比較構件承載力同構件荷載效應的大小，可以將校核結果分為：無需加固、抗彎加固、抗剪加固、彎剪加固。

對梁構件進行承載力校核的編程思路為：①收集梁構件；②檢索所有梁構件，獲取構件的參數信息；③判斷原梁還是加固梁承載力校核；④進行梁構件抗彎及抗剪承載力校核，分別判斷獲得校核結果。以此實現所有梁構件一鍵校核。

1.5 設計截面

設計截面是在截面承載力校核之后，檢索所有梁構件時，針對同一個梁構件，依照校核的結果進行估算截面計算，對于不同校核結果的構件，分別進行相對應的加固計算，確定設計截面，取最大值作為設計截面，賦值給各個梁構件的項目參數。關于設計截面合理性判斷，就抗剪加固計算而言，首先，根據hw/b1，確定βcfcb1h1前的系數，再根據剪力V確定第一個h1[7]；其次，根據b0同b1的關系確定梁加固方式是U形加固還是三面圍套加固，根據混凝土加固規范中U形加固或三面圍套加固的公式，結合剪力V確定第二個h1；取大值作為抗剪加固計算推薦截面。就抗彎加固計算而言，通過一個循環，將抗剪加固計算推薦截面作為初步加固截面帶入抗彎加固公式計算，首先判斷相對受壓區高度x同ξbh01的關系，大于時直接按10的模數加大截面重新試算，小于時則再計算加固所需新增受拉區鋼筋面積As，判斷單邊配筋率同0.025及0.002的關系，確保加固梁構件不超筋或少筋破壞[8]。

1.6 加固建模

加固建模分為構件信息讀取模塊和修改參數布置模塊。使用Visual Studio 2012中Form窗口來顯示構件信息。在顯示構件信息的Form窗口下，設計人員根據校核結果、設計截面，對構件相關信息進行修改后布置完成構件的加固建模。

1.7 配筋選筋

根據承載力校核結果確定最終加固截面，按照混凝土加固設計規范公式進行加固截面配筋計算。根據計算配筋面積進行選筋的主要原則有：①鋼筋間距應滿足最小間距要求；②實際配筋面積應大于計算配筋面積。進行選筋的主要思路：首先定義鋼筋直徑庫；然后根據梁寬確定不同直徑鋼筋可布置的最大根數；然后計算最大根數與鋼筋直徑對應面積的乘積同計算配筋面積比較進行初步選筋；最后進一步優化，計算最少需要多少根此直徑鋼筋才能滿足實際配筋面積應大于計算配筋面積，得到最終的選筋結果，為后續在Revit中生成三維鋼筋打下基礎。

1.8 鋼筋三維出圖

本文采用通過RevitAPI提供的給定曲線創建鋼筋函數(Rebar.CreateFromCurves())函數繪制三維鋼筋[4]。給定曲線創建鋼筋函數包含12個參數，主要是關于鋼筋類型、鋼筋族、鋼筋彎鉤類型、依附主體、鋼筋曲線等參數信息。鋼筋三維出圖分為新增縱筋及新增箍筋，對于縱筋，使用梁中線作為鋼筋曲線，經偏移處理得到角筋，以此角筋為基礎縱筋，結合相關信息(通過提取構件鋼筋信息，處理得到的鋼筋根數、鋼筋等級、鋼筋直徑等信息)陣列得到梁三維縱筋圖形；箍筋使用的曲線沒有現成的曲線可以采用，可通過點(XYZ)到線(Line)到鋼筋曲線(List)的方式畫出基礎箍筋，進而根據間距和范圍，陣列得到所需三維箍筋圖形。

2 程序在實際工程加固設計中的應用

本文通過簡單案例來展示程序的相關功能，并測試其程序的可行性及穩定性。詳細演示步驟如下。

第一步，建模。在Revit中建立原結構模型，添加加固設計所需要的項目參數。

第二步，分析計算。將原結構模型導入Robot，分別進行荷載組合的設置及新舊荷載布置，輸出對應計算書，導入Revit進行處理，獲取所需內力參數。

第三步，校核加固。根據Robot傳輸的內力值進行承載力校核，計算得到設計截面，根據設計截面，對需要加固的構件進行加固布置。對加固后模型進行新的分析計算及校核加固直至所有構件都無需加固，得到最終加固模型。校核結構見圖3,加固校核后的結果見圖4。

圖4 加固后的校核結果

圖3 校核的結果

第四步，配筋出圖。計算獲得最終加固模型所需配筋面積，根據配筋面積進行選筋并生成鋼筋施工圖。選筋信息見圖5,三維鋼筋見圖6。

圖5 選筋信息

圖6 三維鋼筋

3 結束語

1)本文通過對Revit進行二次開發，充分利用編程的優勢，對重復性大的工作用代碼實現機器替代，減少人工參與，提高工作效率。

2)借助Revit API為Revit平臺增加了混凝土框架梁增大截面法加固設計功能，實現了在Revit中建模，構件承載力校核以及加固的流程，獲得了加固所需配筋面積，并生成了三維可視的帶筋信息模型，基本滿足了的加固設計及現場施工的需求。

3)本文是基于BIM平臺的二次開發，得到三維的信息模型，擺脫了二維平臺的局限性，對后期的施工及算量都具有指導意義。

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